-
Einrichtung zur Messung des Scheinverbrauchs eines Wechselstromkreises
unter Verwendung eines Phasenreglers. Bei einer bekannten Einrichtung zum Messen
des Scheinverbrauchs eines Wechselstromkreises ist die Spannungswicklung des Zählers,
der den Scheinverbrauch durch sein Zählwerk registrieren soll, unter Zwischenschaltung
eines Phasenreglers an den Wechselstromkreis angeschlossen. Der Phasenregler wird
durch einen Phasenmesser fortlaufend selbsttätig auf die Stellung eingesteuert,
bei welcher von dem Triebsystem oder den Triebsystemen des Zählers das maximale
Drehmoment auf den Zähleranker ausgeübt wird. Diese Bedingung ist beispielsweise
bei einphasigem Wechselstrom und bei Verwendung eines Wirkverbrauchsmessers für
die Registrierung des Scheinverbrauchs erfüllt, wenn Phasengleichheit zwischen der
Spannung und dem Hauptstrom des Zählers besteht. Wird für dreiphasigen Wechselstrom
ein Wirkverbrauchsmesser zum Registrieren des Scheinvf rbrauchs benutzt, so bestehen
zwischen den Spannungen und Hauptströmen des Zählers bei maximalem Drehmoment im
allgemeinen andere, bekannte Beziehungen.
-
Ein Phasenregler als Zwischenglied zwischen der Spannungswicklung
des Zählers und dem Wechselstromkreis ist auch Bestandteil der neuen Einrichtung.
-
Im allgemeinen läßt sich diese Einrichtung nach der Festsetzung, daß
unter Zählerspannung nicht nur eine einzelne Spannung, wie beim Einphasenzähler,
sondern auch ein System von Spannungen, wie beim Drehstromzähler, verstanden sei
und Analoges auch für den Hauptstrom gelten soll, folgendermaßen kennzeichnen: Der
Phasenunterschied zwischen der Spannung und dem Hauptstrom des Zählers wird periodisch
mit gleichförmiger Geschwindigkeit verändert in einem Bereich, dessen Anfang und
Ende um bestimmte feste Beträge entfernt liegen von denjenigen Phasenstellungen
der Zählerspannung, welche bei der anfänglichen bzw. endlichen Phasenstellung des
Hauptstromes das maximale Ankerdrehmoment bedingen. »Anfänglich« und »endlich» sind
dabei genannt die Phasenstellungen des Hauptstromes in den Augenblicken, da die
Phasenstellung der Spannung am Anfang bzw. am Ende ihres Änderungsbereichs sich
befindet.
-
Zur Erläuterung sollen die schematischen Abb. q. und 5 der Zeichnung
dienen. Abb. q. gilt unter der Voraussetzung unveränderlicher Phasenstellung des
Hauptstromes, bei Abb. 5 ist diese Einschränkung fallen gelassen. Beide Abbildungen
gelten für einphasigen Wechselstrom.
-
J ist der Hauptstromvektor, E der gleichförmig gedrehte Spannungsvektor.
Der Drehsinn ist beispielsweise dem Uhrzeigersinn entgegengesetzt angenommen. Der
Wanderbereich des Spannungsvektors ist durch den ausgezogenen Bogen hervorgehoben,
der bei i beginnt und bei 2 endet. Anfang und Ende dieses Bogens haben gegen die
Phasenstellung des Spannungsvektors für maximales Drehmoment, das ist hier die Phasenstellung
des Stromvektors J, die Winkelabstände a1 und a2. Der veränderliche Winkel u wird
von Anfang = des bezeichneten Bogens aus gezählt. Die Zeitzählung wird am besten
in dem Augenblick begonnen, in dem der Spannungsvektor E seine Anfangsstellung bei
x verläßt.
-
In Abb. 5 bezeichnen außerdem J1 und J. die anfängliche und endliche
Stellung des Hauptstromvektors, welche zeitlich zusammenfallen mit den Stellungen
des Spannungsvektors am Anfang i und am Ende 2 seiner Bahn. Der Winkel zwischen
1l und J2 ist mit e bezeichnet.
-
Ist TI7r die gleichförmige Winkelgeschwindigkeit des Spannungsvektors
E und ist der Übergang des Stromvektors J aus der Stellung J1 in die Stellung J2
ebenfalls gleichförmig,
so ist der Weg w des Zählerankers in der
Zeit, in der der Spannungsvektor seine Bahn von i nach 2 durchläuft, gleich -
und die dazu erforderliche Zeit
In diesen Gleichungen ist c eine Konstante; das obere oder das untere Vorzeichen
von e gilt, je nachdem der Stromvektor J sich im gleichen Sinn dreht wie der Stromvektor
E (Fall der Abb.5) oder im entgegengesetzten Sinn.
-
Da nach Gleichung 2 der wirkliche Scheinverbrauch V während der Zeit
> gleich ist
so ist das Verhältnis zwischen dem Ankerweg und dem Scheinverbrauch
also eine Konstante. Der Ankerweg ist also ein genaues Maß für den Scheinverbrauch.
-
Dies ist allerdings nur unter der Voraussetzung giltig, daß die Phasenstellung
des Hauptstromvektors sich nicht oder gleichförmig ändert. Erfolgt eine solche Änderung
ungleichförmig, z. B. sprungweise, so tritt ein Meßfehler ein. Die praktische Brauchbarkeit
der Einrichtung wird aber dadurch nicht beeinträchtigt, denn erfahrungsgemäß bleiben
die jeweiligen Phasenbeziehungen zwischen den elektrischen Größen einer Anlage immer
geraume Zeit ziemlich unveränderlich bestehen, so daß die Meßfehler einzelner Meßperioden
gegen die summierten genauen Angaben vieler anderer Meßperioden verschwinden.
-
Man kann zur ununterbrochenen Registrierung die einzelnen Meßperioden
unmittelbar aneinander anschließen, muß dann aber den Phasenregler von der Stellung,
die der Endstellung des Spannungsvektors im Punkte 2 entspricht, in die Stellung
springen lassen. die dem Spannungsvektor im Punkte i entspricht. Will man dies vermeiden
und den Phasenregler beispielsweise sich ganz gleichförmig weiterdrehen lassen,
so erfolgt die Registrierung im allgemeinen absatzweise. Dies ist in den meisten
praktischen Fällen zulässig. Als Mittel zur richtigen Begrenzung der Meßperioden
können im allgemeinen zwei Phasenmesser verwendet werden, von denen der eine beim
Phasenwinkel a1 anspricht und den Anker oder wenigstens das Zählwerk anlaufen läßt.
der andere beim Phasenwinkel u2 anspricht und diesen Lauf wieder abstellt. Bei Wahl
der Winkel u1 - a2 - 9o ° kann man aber den Zähler selbst als Phasenmesser verwenden
und erhält dann zusammen mit dem Vorteil des dauernd gleichförmig gedrehten Phasenreglers
eine sehr einfache Meßeinrichtung, welche entweder für Registrierung in Absätzen
oder für ununterbrochene Registrierung ausgeführt werden kann.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Einrichtung ist auf der Zeichnung
veranschaulicht. Abb. i zeigt ein Schaltungsschema der Einrichtung, Abb.2 verdeutlicht
den Anschlüß des Phasenreglers. Das Vektordiagramm Abb. 3 soll zur ausführlichen
Erläuterung der Wirkungsweise dienen. Als Wechselstromkreis ist für das Ausführungsbeispiel
ein Drehstromkreis mit den Leitungen R, S, T angenommen, als Scheinverbrauchsmesser
ein Zähler mit zwei messenden Systemen in Aronschaltung, hi, h2 sind die Hauptstromwicklungen,
s1, s2 die Spannungswicklungen des Zählers. Die messenden Systeme wirken auf gesonderte
Triebscheiben t1, t2, die auf der gemeinsamen Achse a befestigt sind.
-
Der Phasenregler hat die Bauart der bekannten Drehtransformatoren,
A ist der Ständer, B der Läufer. Der Läufer sitzt auf der Achse C; er ist mit drei
Schleifringen dl, d2, d3 ausgestattet, auf denen Bürsten e1, e2, e3 schleifen. Auf
die Achse C ist ein Zahnrad F aufgekeilt. Es ist über ein Vorgelege G mit dem Anker
H einer -Wirbelstrombremse gekuppelt. Die Erregerwicklung k des Bremselektromagneten
K ist von zwei Leitungen des Drehstromkreises abgezweigt.
-
Der Ständer A des zweipolig angenommenen Phasenreglers ist mit drei
unter i2o ° gegeneinander versetzten Punkten a1, a2, a3 seiner Wicklung an die Leitungen
R, S, T des Drehstromnetzes angeschlossen; a1 ist mit R, a2 mit S, a3 mit
T verbunden. Der Läufer B
des Phasenreglers ist an drei unter i2o°
gegeneinander versetzten Punkten b1, b2, b3 seiner Wicklung an die Schleifringe
dl, d2, d3 angeschlossen, und zwar ist b1 mit dl, b2 mit d2, b3 mit d3 verbunden.
Diese Verbindungen sind nicht gezeichnet. An die Bürsten e1, e2, e3 sind die Leitungen
R', S', T' des sekundären Drehstromkreises angeschlossen, von dem die Spannungswicklungen
s1, s2 des Scheinverbrauchsmessers abgezweigt sind. s1 ist von R' und S' abgezweigt,
s2 von T' und S'.
-
Das Schneckenrad L zum Antrieb des Zählwerks, das vom Anker des Scheinverbrauchsmessers
durch
die Schnecke 1'f1 angetrieben wird, ist mit einem Sperrad N fest verbunden, in dessen
Zähne eine am Gerüst des Gerätes gelagerte Sperrklinke 0 eingreift.
-
Die Einrichtung arbeitet in folgender Weise; Der Phasenregler ist
seinem `Fesen nach ein Drehstrominduktionsmotor. Die Ströme, die die Läuferwicklung
in die Spannungswicklungen s1, s2 liefert, bringen im Zusammenwirken mit dem Ständerfeld
ein Drehmoment hervor. Unter der Wirkung dieses Drehmomentes dreht sich der Läufer.
Die Drehgeschwindigkeit wird durch die elektromagnetische Bremse geregelt. Schwankungen
der Drehgeschwindigkeit infolge von Schwankungen der Netzspannung werden durch die
entsprechenden Schwankungen der Bremskraft des Magneten K ausgeglichen. Der Läufer
des Phasenreglers hält sich bei dieser Ausführung selbst in dauernder Drehung. Einschaltung
von Ballastwiderständen in das sekundäre Drehstromnetz ist ein weiteres Mittel zur
Regelung dieser Drehung.
-
Die elektrischen Vorgänge im Scheinverbrauchsmesser sollen mit Hilfe
des Vektordiagrammes (Abb. 3) erläutert werden. RS, ST, TR sind die drei
Spannungen, R, S, T
die drei Linienströme des Drehstromnetzes unter der Voraussetzung,
daß die Belastung des Netzes symmetrisch und induktionsfrei ist. Diese Vektoren
liegen fest, die Zeitlinie X läuft entgegen dem Uhrzeigersinn um, und zwar mit 5o
Umdrehungen pro Sekunde, wenn das Drehstromnetz Strom mit der Periodenzahl 5o führt.
-
Die Spannungen R'S', S'T', T'R' des sekundären Drehstromnetzes sind,
unter Voraussetzung eines vollkommenen Phasenreglers, einander gleich und um r2o°
in der Phase gegeneinander verschoben. Sie laufen mit gleichförmiger Geschwindigkeit
um und führen eine Volldrehung aus in der Zeit, die der Läufer des Phasenreglers
zu einer Volldrehung braucht. Wenn Läufer und Ständer des Phasenreglers so zueinander
stehen, wie Abb. 2 es zeigt, so fällt R'S' in die Richtung von RS und Analoges gilt
für die beiden anderen Paare von Spannungen. Dabei ist von dem Einfluß der Spannungsabfälle
in den Wicklungen des Phasenreglers auf die Phasenstellung der primären und sekundären
Spannungen abgesehen.
-
Die sekundären Spannungsvektoren laufen im gleichen Sinn um wie die
Zeitlinie X, wenn der Phasenregler sich durch sein eigenes Drehmoment in Umdrehung
erhält. Für die Umlaufszeit des Phasenreglers wählt man vorteilhaft die Größenordnung
x Minute. Innerhalb jedes einzelnen Zeitlinienumlaufs ist dann die Phasenstellung
der sekundären Spannungsvektoren gegen die primären Spannung5.-und Stromvektoren
praktisch unveränderlich, was für die Meßgenauigkeit des Scheinverbrauchsmessers
wichtig ist.
-
Die Angabe des Scheinverbrauchsmessers kommt auf folgende Weise zustande:
Bei der Stellung des Phasenreglers, die in Abb. 2 gezeichnet ist, haben die Sekundärspannungen
R'S' und S'T', die in den Scheinverbrauchsmesser eingeführt sind, dieselben Phasenstellungen
wie die Primärspannungen RS, ST,
die beim Wirkverbrauchsmesser mit Aronschaltung
einzuführen wären. Das Drehmoment, das auf den Anker des Scheinverbrauchsmessers
ausgeübt wird, hat deshalb den maximalen Wert, der bis auf eine Konstante gleich
ist j/ 3 . E . J, wenn E die Primärspannung, J den primären Linienstrom bedeutet.
Wenn sich der Phasenregler aus der betrachteten Anfangsstellung um 9o° weiterdreht,
so nimmt das Drehmoment des Scheinverbrauchsmessers stetig bis auf Null ab, und
zwar verändert es sich dabei proportional dem Kosinus des Verdrehungswinkels des
Phasenreglers. Der Mittelwert des Drehmomentes ist dabei das fache -o,636fache.
des Höchstwertes. Bei Weiterdrehung des Phasenreglers wechselt das Drehmoment des
Scheinverbrauchsmessers seine Richtung. Der Anker kann nun aber nicht laufen, weil
er durch die Klinke 0 gesperrt ist. Dieser Zustand hält an, bis der Phasenregler
aus der Stellung nach Abb. 2 sich um 27o° gedreht hat. Dann wechselt das Drehmoment
des Scheinverbrauchsmessers wiederum seine Richtung, und es nimmt in. der folgenden
Vierteldrehung des Phasenreglers stetig von Null bis zum Höchstwert zu, proportional
dem Kosinus des Verdrehungswinkels des Phasenreglers. Der Mittelwert des Drehmomentes
in diesem letzten Viertel ist wieder das o,636-fache des Höchstwertes. Während der
halben Umlaufszeit des Phasenreglers wirkt also das o,636 fache_des Drehmomentes,
das den Höchstwert j/ 3 # E # J entspricht, auf den Anker. Die Bewegung,
die der Anker, durch nicht gezeichnete Dauermagnete gedämpft, dabei ausführt, ist
proportional dem Produkt aus der halben Umlaufszeit des Phasenreglers und dem o,
636 fachen der scheinbaren Leistung, also proportional dem Scheinverbrauch des Drehstromnetzes
in der einen Hälfte der Umlaufszeit des Phasenreglers.
-
Die Ankerbewegungen während aufeinanderfolgender Umlaufszeiten des
Phasenreglers werden durch das Zählwerk summiert. Bei längerer Betriebszeit kann
die Angabe des Zählwerks als Maß für den Scheinverbrauch der ganzen Betriebszeit
genommen werden, obwohl tatsächlich nur die halbe Betriebszeit in die Messung eingeht.
Denn, da erhebliche
Veränderungen der Verhältnisse in elektrischen
Anlagen erfahrungsgemäß im allgemeinen in Zeitabständen erfolgen, die weit größer
sind, wie die Umlaufszeit des Reglers, so kann man annehmen, daß die Verhältnisse
während eines Phasenreglerumlaufs dieselben bleiben. Will man die verbleibende Unsicherheit
verringern, so braucht man nur einen zweiten Scheinverbrauchsmesser anzuordnen,
der die zweite Hälfte des Phasenreglerumlaufs ausnutzt.
-
Es ist für die Erfindung nicht wesentlich, daß der Phasenregler durch
sein eigenes Drehmoment in Umdrehung erhalten wird; man kann viehmehr auch ein Uhrwerk
oder ein Treibwerk anderer Art für diesen Zweck anwenden.
-
Der Phasenregler braucht auch nicht gerade ein Drehtransformator zu
sein. Auch ein Phasenregler mit Kollektor und auf dem Kollektor umlaufenden Bürsten
ist anwendbar. Die Einrichtung ist nicht allein für Mehrphasenstrom, sondern auch
für Einphase verwendbar, nur muß im zweiten Fall in Verbindung mit dem Phasenregler
eine Vorrichtung zur Umformung von Einphasenstrom in Mehrphasenstrom verwendet werden.
-
Bei der beispielsweise beschriebenen Schaltung der neuen Einrichtung
kann man die volle Umlaufszeit des Phasenreglers für die Messung ausnutzen, wenn
man den Zählwerkantrieb so ausführt, daß das Zählwerk bei jeder Drehrichtung des
Ankers vorwärts läuft. Man wird dann allerdings auf die gewöhnliche Reibungskompensation
verzichten müssen, da sie nur für eine Drehrichtung des Ankers richtig wirkt, oder
man wird die Vorrichtung zur Kompensation der Reibung beim Wechseln der Ankerdrehrichtung
umschalten müssen. Statt der Sperrung des Ankers kann auch eine Abkupplung des Zählwerks
angewendet werden, um den Rücklauf des Zählwerks bei Drehrichtungswechsel des Ankers
zu verhindern.
-
Um die volle Umlaufszeit des Phasenreglers auszunutzen, kann man auch
die Spannungsspulen des Scheinverbrauchsmessers durch eine besondere Vorrichtung
in den Augenblicken umpolen, in denen. der Anker des Scheinverbrauchsmessers seine
Drehrichtung wechseln will. Zu dem gleichen Zweck kann man in den gleichen Augenblicken
die Drehrichtung des Phasenreglers umkehren. In diesem Fall durchlaufen die Vektoren
der Sekundärspannungen nur je den Bereich von 18o° einmal vorwärts, einmal rückwärts.
Das Ankerdrehmoment des Scheinverbrauchsmessers ändert dabei seine Richtung nicht.